基于OpenFOAM的弧形防浪墙受力特性的数值模拟研究*

弧形防浪墙具有优良的返浪效果，工程应用较多。本文以弧形防浪墙为例，基于OpenFOAM开源程序，应用雷诺平均Navier-Stokes方程描述流体运动，建立了波浪与结构物作用的二维数值模型。通过试验验证所建立的数值模型，探讨不同形式弧形防浪墙所受波浪压强分布特点的异同、弧形防浪墙圆弧半径对所受波浪力的影响。结果表明：在不同波浪要素条件下，弧形防浪墙迎浪面所受波浪压强随测点高程的增大而减小，同一测点上所受波浪压强随弧形防浪墙圆弧半径的增大而减小。防浪墙迎浪面受到的波浪力随着波高的增大而增大，随波长的增大先增大、再减小、再增大，且在波长最大时波浪力达到最大值。在相同波长下，波浪力随圆弧半径增大而减小。     

基于正交试验的弧形胸墙波浪载荷对波要素的敏感性分析

以复合式海堤弧形胸墙为研究对象,选择3个因素——水深、波高、波周期,每个因素取4个水平,按照正交表L16(43)设计相关试验组次研究上述因素对复合式海堤弧形胸墙波浪载荷的影响显著性。同时研究弧形胸墙波压力分布规律和波浪载荷时程变化规律。结果表明:对于弧形胸墙压力即时分布,点位与点位之间没有固定的大小关系,但整体上来说,胸墙迎浪面下半部分的波压力普遍大于上部分;在单个波浪周期作用过程中,水平波浪力存在2个峰值,垂向波浪力存在1个峰值2个谷值,垂向波浪力峰值与水平波浪力第1个峰值几乎同时达到,此时对胸墙的稳定性最为不利;水深对波浪载荷的影响最为显著,波高其次,波周期的影响相对最小。     

跨海桥梁大尺寸承台波浪力数值模拟研究

随着跨海桥梁深水化,桥墩尺寸和波浪荷载不断增加。为提高跨海桥梁安全性,通过Fluent软件建立了三维数值波浪水槽,进行了波浪作用大尺寸承台的数值模拟,分析了波高、淹没系数、周期以及承台长度对承台波浪力的影响。研究结果表明:在文章计算范围内,承台波浪力和波高基本呈线性变化关系。随着淹没系数C_s增大,承台水平力先增加后减小,而承台垂向力先减小后增加再减小。承台相对水平力f_x随承台相对长度kb先增后减,当kb=1.3左右时相对水平力达到最大。承台相对垂向力f_z随kb变化关系受承台淹没系数C_s影响:当C_s<1时,承台相对垂向力f_z随kb增加逐渐减小,其中当kb趋近于0时f_z=K_p,当kb趋近于+∞时f_z=0;当C_s>1时,承台相对垂向力f_z随kb增加先增后减,其中当kb趋近于0和+∞时f_x均趋近于0。     

规则波作用下珊瑚礁直立式护岸波浪力大比尺模型实验研究

基于大比尺波浪水槽试验,采用弗劳德相似准则,按照1:15的模型比尺,开展了规则波作用下珊瑚礁地形上的波浪和直立式护岸的相互作用的研究,在不同水深和波浪条件下,测量了直立式护岸所受压强,并与规范值进行对比。实验结果表明实验测量值明显大于规范计算值;直立式护岸所受压强值与入射波波高和礁坪水深正相关,随护岸距礁缘距离增大而减小。通过将时均水深、增水、护岸距礁缘的距离无量纲化跟无量纲压强进行分析,得出结果表明当礁坪上水深足够深、护岸距礁缘距离小于0.5倍的波长的时候,所受压强只和入射波高有关;而波浪在礁坪上的增水越高,直立式护岸所受到的压强越大。因此综合考虑了周期、礁坪水深、增水和距离,拟合出基于该实验中筑堤珊瑚礁地形的直立式护岸波浪力估算公式,拟合公式计算精度高于现有规范公式。     

基于Fluent斜坡海堤挡浪墙受力特性数值计算研究

海堤是沿海地区防潮减灾体系中重要建筑物,文章以通州湾腰沙围垦二期通道工程为例,采用Fluent软件流体体积法模型构建数值波浪水槽,对海堤工程挡浪墙波浪力进行数值模拟,重点分析与研究直立型和半圆弧型挡浪墙随水深、波高、波长等参数变化时,挡浪墙迎浪面波压力分布以及波浪力大小变化规律。研究表明半圆弧挡浪墙具有反向挑浪减小墙顶越浪作用,同时墙体承受的波浪力明显大于直立型挡浪墙,在最不利水位及波要素组合下,半圆弧挡浪墙面承受的波浪力增大幅度为30%,为减少墙顶越浪量,大型岸外沙洲围堤工程采用半圆弧型挡浪墙是较好选型。     

斜向波浪对斜坡堤胸墙作用力的试验研究

斜坡堤胸墙的稳定性主要受到波浪作用的影响,而且实际工程中斜坡堤多受斜向波浪作用。通过斜向与正向不规则波对斜坡堤胸墙作用的物理模型试验研究,分析斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数随水位和波浪入射角度的变化规律,并与斜向波浪对单元直立堤的作用情况进行对比。结果表明:斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数总体上随着水位的降低而变小,随着波浪入射角度的减小而变小;斜向波浪总浮托力的折减系数一般小于总水平力的折减系数;在不同水位和波浪入射角下,斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数与单元直立堤有一定差别。     

垂直导桩锚固单浮箱式浮式防波堤消浪性能及受力研究

浮式防波堤的锚固方式主要有锚链锚固式和导桩锚固式等,垂直导桩锚固的浮式防波堤在波浪作用下浮体主要进行升沉一个自由度的运动。通过二维波浪物理模型试验对垂直导桩锚固单浮箱式浮式防波堤的消浪性能和受力情况进行了研究。研究结果表明,同一波高下,垂直导桩锚固单浮箱式浮式防波堤的波浪透射系数均随着相对宽度B/L的减小而变大。当浮箱相对宽度相同时,波高较大时垂直导桩锚固单浮箱式浮式防波堤的波浪透射系数较小,尤其对于相对宽度较大(B/L0.2)的情况。与锚链锚固时相比,由于垂直导桩锚固时浮堤的波浪反射和波能损耗均明显增强,垂直导桩锚固时浮堤的波浪透射系数明显减小、消浪性能明显提高。波浪作用下,垂直导桩所受的水平力大小随入射波高的增大而明显增大,导桩所受的正向水平力随着相对宽度B/L的减小(即波浪周期的增长)为减小的趋势,反向水平力随相对宽度B/L的变化规律不明显。     

刚性薄板在波浪场中的动力响应

基于物理模型试验,对刚性薄板在波浪场中的动力响应问题展开研究。测量并分析了不规则波况下,薄板相对尺度、相对波高和相对水深等对薄板系泊力、运动响应、板后波高分布及薄板点压力分布的影响,进行了对比分析。结果表明:试验范围内,在不规则波况下,薄板系泊力以及纵移和纵摇运动分量均随相对波高的增大而增大,随相对板长的增大而减小,且趋势由急变缓,在达到4~5L后呈稳定状态,故从系泊力以及纵移和纵摇运动分量角度给出水动力学定义,当刚性薄板尺度达到4~5L则可称为超大型浮体。     

基于斜坡堤圆弧面灯桩结构的波浪力研究

斜坡堤上圆弧面灯桩结构的波浪力研究对防波堤的设计和稳定具有重要意义。通过在波浪水槽内进行物理模型试验,对不同位置波压力随时间的变化过程、波压力沿结构表面分布规律以及当水平力或垂直力最大时各测点的同步波压力分布特性进行分析,再将试验结果与规范直立式胸墙的波浪力计算结果进行对比。结果表明,无掩护部分的波压力主要由冲击压力和缓变压力组成,有掩护部分的波压力表现为缓变压力;从灯塔顶部到上灯桩基础,波压力随相对高度的减小而先增大后减小,当水位超过结构物一定高度,且有块体掩护时,底部波压力近似均匀分布;水平力最大时的最大波压力发生在无块体掩护的灯塔的中下部;半掩护条件下,灯桩结构所受波浪水平力比无掩护条件下小,比全掩护条件下要大;基于海港水文规范公式得出修正系数以及拟合公式,可用于计算斜坡堤上此结构形式的波浪水平力。     

不规则波工况下弧形防浪墙波浪载荷试验研究

现有关于弧形防浪墙的研究大多是针对越浪量的,对其上波浪载荷的研究涉及的不多.为弥补现有研究成果的不足并为弧形防浪墙稳定性设计提供参考,文中以复式海堤弧形防浪墙为例,以1∶15为比尺设计了不规则波断面模型试验.布置压力探头对弧形迎浪面的波压力信号进行采集,通过积分法得出合力.通过对不规则波作用下弧形防浪墙所受波浪载荷峰值的概率分布和波浪载荷变化规律进行研究,得出:威布尔分布公式对弧形防浪墙不规则波作用下波浪载荷的概率分布进行拟合效果良好;水平波浪力、垂直波浪力和波浪力矩的最大值、2%累计频率值以及1/3大值平均值均随水深的增大而增大,随波周期的增大而增大,随波高的增大而增大.     

弧形防浪墙波浪力的试验研究

在斜坡式防浪建筑物中,为满足越浪与稳定要求,减少工程投资,常在堤顶设置防浪墙。通过三分力天平对常用的直立式、不同墙底高程和墙高组合下的圆弧式防浪墙进行物理模型试验,直接测量作用其上的波浪力,分析不同形式下防浪墙的整体稳定性,讨论防浪墙形式引起的波浪力的变化关系。     

弧形防浪墙的迎浪面波压力数值模拟

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,对FLUENT进行二次开发,将各功能区的源项表达式添加到动量方程中,从而实现动量源造波和消波。模拟二阶Stokes波作用下不同断面形式防浪墙的流场和波压力,并将计算结果与物理模型试验数据进行对比,结果吻合较好。比较直立式和弧形防浪墙波浪压力数值计算结果可以发现,在相同水位和波浪要素情况下,作用在圆弧墙上的最大点压强明显大于直立墙,而且最大压强发生在圆弧部分,工程中应该对圆弧部分进行加固处理。     

船舶圆弧过渡肘板节点的屈曲破坏研究

船体构件腹板在连接端部逐渐升高形成圆弧过渡肘板节点,较大的腹板尺寸导致其受弯时易出现屈曲破坏,从而影响船体结构的安全性。以典型圆弧过渡肘板连接的横梁-肋骨节点结构为研究对象,采用极限强度试验与非线性有限元模拟方法,研究肘板节点受弯时的破坏模式、极限载荷以及屈曲过程,讨论肘板臂长、圆弧半径、面板厚度对节点结构屈曲破坏的影响。结果显示:考虑初始缺陷的非线性有限元模拟结果与试验结果一致;根据肘板尺寸的不同,屈曲破坏的位置包括靠近肋骨的横梁腹板区域以及肘板与横梁过渡圆弧处的腹板区域;随着肘板臂长的增加,不同圆弧半径时节点的极限载荷均为先增大后趋于不变;随着圆弧半径的增加,肘板臂长较小的节点极限载荷缓慢上升,肘板臂长较大的节点极限载荷则近似呈线性增长趋势;面板厚度对极限载荷的影响较小,随着面板厚度的增加,极限载荷先缓慢增加后趋于不变。     

Inhomogeneous wave load effects on a long,straight and side-anchored floating pontoon bridge

In this paper, we present a numerical study on the hydroelastic response of a 4.6 km long fjord crossing floating bridge subjected to wave loads. The bridge is straight in design and supported by 35 pontoons along its full length. To limit the response to horizontal loads, four clusters of deep water mooring lines are engaged to increase the transverse stiffness of the bridge. Owing to the very large span across the fjord, inhomogeneity in the wave field exists. This study examines the various effects of inhomogeneous wave loads on the dynamic responses of the floating bridge. These include the spatial variations of the wave direction, significant wave height and peak period as well as the coherence and correlation of waves along the entire length of the floating bridge. For the purpose of comparison, the dynamic bridge responses under homogeneous wave load cases are also studied. In addition, the effects of wave load components and short-crestedness are presented and discussed.     

墩式码头波峰面高度试验研究

通过波浪物理模型试验,研究了圆沉箱墩柱式码头单墩、群墩的波峰面高度变化规律,提出圆沉箱墩柱式码头最大波峰面高度的计算经验公式。研究结果表明,波峰面高度与波高、墩距、墩径、波长、波浪入射角均相关。研究的成果对于开敞式圆沉箱墩柱码头的码头面高程确定具有很好的参考价值。     

斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载

基于三维波浪物理模型实验研究的结果,参照国内外已有的研究成果,探讨了波浪斜向性和多向性对不规则波作用于直墙堤上波浪荷载的影响,表明波浪是否在堤前破碎其影响波浪荷载的规律是不同的.建议了斜向和多向不规则波作用于直墙堤上波浪荷栽的实用计算方法.     

直立堤单波越浪量概率分布形状参数研究*

通过物模试验系统考察直立堤单波越浪量概率分布形状参数在不同条件下的变化规律。试验条件涵盖由完全不破碎到充分破碎完整的堤前波浪状态和具有代表性的2种堤前坡度、3种波陡、3种相对顶高。结果表明：形状参数对波陡缺乏明显的依赖关系；相对顶高的增大使形状参数减小，且变化趋势与相对水深和坡度有关；随着相对水深增大，形状参数与坡度的关系由同向逐渐过渡为反向；相对水深在脱离非破碎波区域向充分破碎区域变化的过程中，形状参数会经历先持续增大、在近破波特征最显著区域达到峰值、然后逐渐衰减的变化过程；本次试验在破碎和非破碎波条件区域所得到的形状参数综合平均值与现有成果均相符。     

长周期波浪冲击下胸墙受力试验

以长周期波浪冲击下斜坡式结构顶部胸墙为研究对象,通过物模试验研究其波浪荷载,并与中国规范和美国CEM手册的计算结果进行对比。在此基础上,进行孤立胸墙的验证试验。结果表明,中国规范和美国CEM手册所采纳的经验公式,均未充分体现长周期波浪破碎对胸墙受力的影响;两种方法的计算结果较为接近,但与物模试验结果差异较大。试验结果相当于规范结果的5倍。因此,在进行长周期波海区工程设计时,应特别注意长周期波浪对胸墙的破碎冲击作用,不能仅用规范公式进行计算,应按规范要求进行物理模型试验。     

孤立波作用于V形薄壁防波堤的绕射波浪力

在一定条件下浅水波可能以孤立波形态作用于离岸结构。基于波浪绕射理论,推导V形薄壁防波堤的一阶孤立波绕射理论解。通过对孤立波作用于防波堤的波浪力进行计算,研究孤立波对V形防波堤的作用规律。通过对180°张角的有限长薄壁V形堤足够长时的绕射波浪力计算,与无限长直立薄壁堤的孤立波反射波浪力进行有效的相似性比较。结果表明:孤立波的最大无量纲波浪力明显大于相同浅水条件下Airy微幅波理论的对应结果,由此反映浅水波的非线性效应;孤立波入射角、V形堤张角、防波堤臂长与水深比以及孤立波特征参数等因素的变化均将对波浪荷载产生一定的影响。     

不同间距下大直径圆筒防波堤波吸力试验研究

防波堤的波浪力计算对防波堤的设计和稳定具有重要意义。针对目前圆筒防波堤波吸力的设计计算方法尚未成熟,通过开展物理模型试验,进行不规则波作用下不同间距下大直径圆筒结构波吸力的分布规律、影响因素和计算方法研究。结果表明:波谷作用下,大直径圆筒结构波吸力的横向分布规律与圆筒的间距有关,纵向分布规律表现为随着水深增加先线性增大然后线性减小,且最大波吸力的位置出现在静水位一倍波高以下。圆筒的相对间距、相对水深以及波陡对不同间距大直径圆筒防波堤的波吸力影响较大。基于直立墙结构波吸力公式给出折减系数的拟合公式,用以计算圆筒周身迎浪面的波吸力。